Конструкция светодиода должна обеспечивать не только большой квантовый выход излучения, но и вывод излучения во внешнюю среду. На рис.4 показано устройство одного из люминесцентных диодов, исследуемых в настоящей работе (АЛ307А).
Свет выводится через поверхность, расположенную над p-n переходом; часть света выводится через боковую поверхность.
|
| Рис.4. Устройство светодиода: 1 - контакт к корпусу и n-области; 2 - контакт к p-области; 3 - проходной изолятор; 4 - корпус; 5 - теплоотвод; 6 - светодиод; 7 - пластмассовый купол. |
Поскольку излучение, возникающее вблизи p-n перехода, должно пройти через
объем полупроводника, то часть его при этом поглощается и превращается в тепло. Свет, достигший поверхности, частично отражается обратно в полупроводник. Так как показатель преломления большинства полупроводников очень велик, при больших углах падения происходит полное внутреннее отражение. Например, для фосфида галлия и арсенида галлия углы полного внутреннего отражения, y = arcsin(1/ n), равны, соответственно, 17,2° и 16,2°.
Для того, чтобы уменьшить полное внутреннее отражение, в люминесцентных диодах прибегают к куполообразным покрытиям поверхности прозрачной смолой с коэффициентом преломления, приблизительно равным 
.
Поглощение части излучения перед выходом во внешнюю среду ведет к искажению формы спектра излучения и уменьшению квантового выхода. Наиболее сильно искажается коротковолновая часть спектра, расположенная в области собственного поглощения полупроводника. Поэтому со стороны высоких энергий наблюдаемый спектр может обрываться более круто, чем излучаемый в объеме полупроводника.
Внешний квантовый выход h определяется как отношение интегрального по всему спектру числа излученных квантов Ф, выходящих во внешнюю среду по всем углам, к числу электронов, пересекающих p-n переход в единицу времени:
h = q Ф / I = hопт q ФI / I = hi hопт, (14)
где hопт - коэффициент вывода света, или оптическая эффективность, определяющая уменьшение излучения вследствие поглощения и отражения.
Внешний квантовый выход представляет важнейшую характеристику люминесцентного диода, определяющую долю преобразования энергии возбужденных электронно-дырочных пар в энергию световых квантов, выходящих из диода.
Однако этот параметр не полностью характеризует преобразование энергии излучения в светодиоде. Энергия квантов hn при примесной рекомбинации меньше ширины запрещенной зоны, поэтому полная энергия излучения даже при единичном квантовом выходе может быть меньше энергии возбуждения. Кроме того, часть электрической энергии расходуется на джоулево тепло на сопротивлениях контактов и толщи полупроводника Rs. Поэтому другим важным параметром диода является коэффициент полезного действия hp, характеризующий отношение полной выходной мощности излучения к затраченной электрической мощности IV = I (IRs + U).
Таким образом, для наилучшего преобразования энергии тока в энергию света следует по возможности уменьшать Rs. В диодах из арсенида галлия величина Rs обычно порядка 1 Ом; в диодах из фосфида галлия, полупроводника более высокоомного, - порядка 10 Ом. Величина Rs может быть определена из вольтамперной характеристики (ВАХ) диода, как показано на рис.5,6.
|
Рис.5. Вольтамперная характеристика p-n перехода.
|
Рис.6. Зависимость дифференциального сопротивления диода от величины, обратной току; определение Rs.
3. Методика эксперимента
В настоящей работе исследование излучательных характеристик светодиодов производится на модернизированной установке КСВУ-23 (комплекс спектральный вычислительный универсальный). Предварительно электрические характеристики диодов (ВАХ) исследуются с помощью измерительной схемы, представленной на рис.7.
|
Рис.7. Блок-схема измерения вольт-амперной характеристики светодиода:
БП - блок питания;
V - цифровой вольтметр блока питания;
В7-32(38) - вольтметр;
СД - светодиод.